（检测技术与自动化装置专业论文）pxi零槽控制器.pdf

摘要 摘要 p x i 总线控制器作为p x i 总线自动测试系统的控制模块，用于实现对所有仪 器模块的资源管理，同时也是测试系统软件运行的环境，实现测试仪器模块工作 流程控制和数据分析处理。 本设计在深入理解p x i 标准的基础上，仔细研究了p x i 零槽控制器的原理， 结合实际需要确定了零槽控制器的实现方法。整个零槽控制器设计分为硬件设计 与操作系统选择。 硬件设计采用e t x 嵌入式计算机作为整体设计的核心，可根据实际需要定义 接插件类型和位置。由于e t x 集成了可扩展的f o ，增加了主板的集成度，同时 也缩短了研发周期并简化了整个生产过程，使得控制器体积小，功能强，维护简 单，并易于升级。该设计部分重点阐述了p x i 桥接口电路及各种外围接口电路的 设计。p x i 零槽控制器还实现了触发总线，由于触发总线本身的应用非常灵活，所 以本设计中使用c p l d 来产生触发信号，可以随时根据不同的应用方式灵活配置 c p l d ，满足不同的需求。 本设计的操作系统选择的是x p e 嵌入式操作系统，x p e 嵌入式操作系统可以 根据实际应用的环境进行定制，占用资源少，可利用x p 操作系统的所有特性，能 实现与桌面程序的无缝连接，符合p x i 软件运行环境的要求，并能保证系统在运 行过程中不会由于误操作或文件损坏而导致系统崩溃。 经过测试表明，p x i 零槽控制器具备控制、资源管理、数据分析等能力，满足 实际应用的要求。 关键字：p x i ，e t x ，触发，x p e a b s t r a c t a b s t r a c t p x ib u sc o n t r o l l e r ，a sac o n t r o lm o d u l eo fp x ib u sa u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，l su s e d f o rm a n a g i n ga l le q m p m e n tr e s o u r c e ，a n dw o r k sa st h ep l a t f o r mo nw h i c ht h et e s t s y s t e ms o f t w a r ei sr u n n i n g i tc a r lc o n t r o lt h ew o r k f l o wo ft e s t i n gm o d u l ea n dd a t a a n a l y s i s t h i sp a p e rc a r e 如l l ys t u d i e dt h ep r i n c i p l e so fp x ic o n t r o l l e rb a s e do ni n d e p t h u n d e r s t a n d i n go ft h ep x is p e c i f i c a t i o n , f o u n do u tt h ew a yt od e s i g np x ic o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t t h ew h o l ec o n t r o l l e ri sd i v i d e di n t oh a r d w a r e p l a t f o r ma n ds y s t e mp l a t f o r m e t xe m b e d d e dc o m p u t e ri st h ec o r eo fh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n ，w ec a l ld e c i d e t h et y p ea n dt h el o c a t i o no fc o n n e c t o ra c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d s i tc a nb ei m e g r a t e d d i r e c t l yi n t ot h ee x p a n s i o no ft h ei 0f u n c t i o n s ，w h i c hi sn o to n l yi n c r e a s i n gt h e m o t h e r b o 鲫d si n t e g r a t i o n ，b u ta l s os h o r t e n i n gt h er & d c y c l ea n ds i m p l i f y i n gt h ee n t i r e p r o d u c t i o np r o c e s s ，s ot h a tt h ec o n t r o l l e rc a nh a v es m a l ls i z e , p o w e r f u lf u n c t i o n ，a n di s a l s os i m p l ef o rm a i n t e n a n c ea n de a s yt ou p g r a d e t h i sp a p e rf o c u s e s0 nt h ed e s i g n so f p x ib r i d g ei n t e r f a c ec i r c u i ta n do t h e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t p x ic o n t r o l l e rh a s a l s op r e s e n t e dt h et r i g g e rb u s a st h ea p p l i c a t i o no ft h et r i g g e rb u si sv e r yf l e x i b l e ，s o w eu s ec p l dt o g e n e r a t et r i g g e rs i g n a l ，w h i c hc a nb ec o n f i g u r e df l e x i b l yt om e e t d i f f e r e n tn e e d sa c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n t h ed e s i g no ft h eo p e r a t i n gs y s t e mi st h ex p ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m x p e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc a l lb ec u s t o m i z e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o nn e e d ， i tt a k e su pf e w e rr e s o u r c e sa n dh a sa l lf e a t u r e so fx po p e r a t i n gs y s t e m d e s k t o p p r o g r a m so fx po rw i n d o w s2 0 0 0c a nr u no nx p ew i t h o u ta n yc h a n g e ，w h i c hm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fp x is o f t w a r ee n v i r o n m e n t x p eo p e r a t i o ns y s t e mc a np r o t e c t s y s t e mf r o mc r a s h i n gd u et ot h eo p e r a t i o nm i s t a k eo rd o c u m e n td a m a g e t e s t i n gh a ss h o w e dt h a t p x ic o n t r o l l e rm e e t st h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sf o ri t sa b i l i t yf o rc o n t r o l ，r e s o u r c em a n a g e m e n ta n d d a t aa n a l y s i s k e y w o r d s ：p x i ，e t x , t r i g g e r , x p e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： e l 期：年月日 第一章引言 1 1 课题的来源及意义 第一章引言 本课题源于电子科技大学承担的科研项目“p x i 测试系列模块 中零槽控制器 模块。 由于自动测试系统在工业、军事、航空、交通等等方面的广泛使用，自动测试 技术的发展十分迅速。之前的测试系统主要使用g p i b 、v x i 等总线，这些总线测 试精度低，测试速度慢，系统可靠性、可维修性及通用性差，已经不能满足上述 各个行业的需要。随着p c 电脑技术的发展及p c i 总线突出的特点，美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p s ，简称n i 公司) 吸取v x i 总线技术精华，在p c i 总线技术基础上提出了新一代测试总线规范一p x i ( p c ie x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n 的缩写) 总线规范。这种总线较之v x i 总线具有体积小、集成度 高、价格低等优点【1 】【2 】。 由基于p x i 总线的模块化仪器设备组成的自动测试系统具有数据传输速率高、 数据吞吐量大、体积小、重量轻、系统组建灵活、扩展容易、资源复用性好、标 准化程度高等众多优点，成为工业、航空、交通、军事等领域组建自动测试系统 的主流组建方案。现在，基于p x i 总线的相关模块技术多为国外及台湾的公司所 垄断，国内只有很少的公司、单位有能力研制p x i 模块仪器，所以研制国产的p x i 模块，组建具有自主知识产权的p x i 自动测试系统具有重要的意义。 p x i 总线零槽控制器作为p x i 总线自动测试系统的控制模块，是整个自动测 试系统的指挥中心，用于实现对所有仪器模块的资源管理，同时也是测试系统软 件运行的环境，实现测试仪器模块工作流程控制和数据分析处理。它的性能与稳 定性直接决定了整个系统的性能和稳定性。现在计算机更新换代十分迅速，作为 非专业计算机厂家，很难适应这种升级换代。因此，本设计以现代计算机的最新 成果e t x 嵌入式计算机为核心进行系统设计，这样p x i 零槽控制器模块的性能可 以及时跟随计算机技术的发展而提高，有利缩短研发周期，提高产品的整体性能， 同时也保证本产品随计算机的升级而迅速更新。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 课题的研究现状及发展态势 p x i 总线标准由n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出，是p c i 在仪器领域的扩展， 它将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量和数据采集场 合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。p x i 标准 汲取了p c 机技术、w i n d o w s 图形化操作系统和仪器技术的特点，把这些技术结 合起来，并且使高速p c i 技术和抗恶劣工业环境性能相适应。 自n i 公司提出p x i 总线规范以来，p x i 已经成为一个受到全球超过7 0 家厂商 共同支持的标准。无论是准备构建一个仪器平台、自动化测试系统、工业自动化 系统或是数据采集系统，p x i 的开放式工业标准特性都能帮助设计者降低系统的总 成本和开发时间，增强系统性能和带宽，使系统集成工作变得轻松简单。2 0 0 6 年 p c ie x p r e s s 技术被引入p x i 技术规范，2 0 0 7 年基于p x ie x p r e s s 标准的模块化仪 器发布，使得p x i 总线的数据传输速率提高到4 g b s 。据f r o s t & s u l l i v a n ( 2 0 0 6 年 第三季度) 世界v x i 与p x i 测试设备市场分析报告指出，2 0 0 6 年至2 0 1 2 年p x i 设 备销售预计c a g r ( 年均复合增长率) 为2 3 ，p x i 已经成为发展最快的测试标 准。目前市场上可提供超过15 o0 种不同的p x i p x ie x p r e s s 模块。 现在p x i 已在多个领域得到了广泛的应用，从消费电子、军事和航空到医疗 设备测试等，成为一系列测试测量应用的理想平台。无论是应用于设计验证，还 是生产线测试的机架式应用，或是为车载数据记录开发便携式或嵌入式系统，p x i 都有适合的解决方案。比如，m i c r o s o f t 公司使用l a b v i e w 和p x i 模块化仪器， 为x b o x3 6 0 控制器开发了功能多样的验证和流水线后期制造测试系统：欧洲粒子 物理研究所( c e r n ) 采用l a b v i e w 软件及p x i 硬件控制世界上最大的粒子加速 器：东海大桥使用基于p x i 进行桥梁健康监测系统等p 】。 p x i 已成为用于测量和自动化的工业标准平台之一。促使p x i 在测试、控制应 用中快速增长的因素很多，包括商业化标准、多种行业的应用( 通信、军用航空、 自动化、工业和消费类电子行业等) 以及p x i 系统联盟和c p c i 许多厂商对新产品 的大量投资等。而且非常重要的一点是，p x i 是一个开放的平台，并以一个高速数 据总线为核心；p x i 系统不具有排他性，而是可以通过其控制器连接u s b ，g p i b ， l a n 等各种总线，从而构建一个满足用户特定需求的混合总线系统。 未来，p x i 产品将继续和v x i 产品，甚至与一些传统测试测量仪器长期并存。 基于以上因素，p x i 发展将会更加快速，并将p x ie x p r e s s 技术不断扩展到更多更 新的模块化测试测量领域，它的发展趋势主要表现在以下几个方面4 1 ： 2 第一章引言 ( 1 ) 开放性与标准化。 开放性和标准化是测量科技发展的一个方向。p x i 沿用p c 接口操作仪器功能， 和p c 机同样具有开放性和标准化特点，具备高兼容性、灵活扩展等优点。 ( 2 ) 高测试吞吐量。 测试吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大数据传输速率。 具有高测试吞吐量性能就可以提高设备的测量质量，是p x i 技术发展要求。 ( 3 ) 低成本和小体积。 减小体积，使用更少仪器完成相同的测量任务是p x i 产品的追求目标。低成本、 低功耗、便于维护和复用是p x i 技术的发展方向。 ( 4 ) 使用寿命和升级性。 测试设备的不断升级、更新换代都要求其具有更长的使用寿命和更好的可升级 性，随着科学技术的发展，现有的仪器可不断升级、更新，延长测试设备的使用 寿命。 ( 5 ) 灵活性。 灵活性体现在可以将用户定义的系统发布到多种应用中，这是p x i 另一重要需 求。 1 3 课题任务 本设计经过方案设计，框架搭建，功能测试等开发过程，已经完成了p x i 零槽 控制器的设计工作，达到预期目标和功能。 本文的主要工作是用e t x 嵌入式计算机为核心完成p x i 零槽控制器的硬件设 计，定制出适合系统需要的w m d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作系统，并完成相应 的软件设计，实现所要求的p x i 零槽控制器的功能。本文作者的主要任务包括以 下几个部分： 1 研究p x i 总线虚拟仪器的应用现状、发展趋势及p x i 总线规范； 2 完成p x i 零槽控制器的电路设计，能实现零槽的计算机功能和对周边模块 的通信控制功能，完成计算机外围接口的设计； 3 实现p x i 触发总线硬件的设计、逻辑设计及触发总线动态链接库软件设计， 能按要求对周边模块进行触发控制； 4 完成w i n d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作系统的定制； 3 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本文结构安排 本文的结构安排如下： 第一章引言 论述本课题的背景、来源、研究现状及研究意义，提出本课题的特点。 第二章总体方案设计 研究相关知识，分析设计指标及实际使用要求，提出p x i 零槽控制器软硬件 总体设计方案。 第三章零槽控制器硬件电路的实现设计 介绍p x i 零槽控制器各部分硬件电路的实现，如p x i 总线接口电路的设计， 触发总线的软硬件设计，通用计算机外围接口设计等。 第四章嵌入式系统定制及软件设计 主要介绍了w i n d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作系统的定制过程。 第五章系统调试与测试 介绍了系统在调试过程中遇到的问题和解决方法。 第六章结论 对本文做总结，提出不足及相关改进建议。 4 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 p x i 零槽控制器模块是测试系统的控制核心，提供测试软件运行所需要的硬件 及系统平台，控制各模块的工作状态，分析处理相关的测试数据，在测试系统中 起着举足轻重的作用，因此，p x i 零槽控制器性能的好坏在一定程度上决定了整个 设备性能的好坏。 2 1 设计目标要求 c p u ：i n t e lp e n t i u mm1 8 g ： 内存：d d r1 g b ； 硬盘：2 o g b 电子硬盘； 显示：显存 8 m ，分辨率：c r t 最大2 0 4 8 ( 1 5 3 6 ( 6 0 h z ) ，l c d 最大1 6 0 0 ( 1 2 0 0 ： e t h e m e t ：10 1o o b a s e - t x ： 键盘接口：p s 2 ； 鼠标接口：p s 2 ； 串行接口：r s 2 3 2 ： 并行接口：s p p e p p e c p 并行接口； u s b 接口：2 个，符合u s b 2 0 规范； 工作温度：0 一 5 0 ； 存储温度：一4 0 8 0 ； 可靠性：m t b f 1 0 0 0 0 h ； 电磁兼容性：符合g j b l 5 1 a 9 7 有关要求； 环境适应性：满足g j b 3 9 4 7 2 0 0 0 中3 级测试设备的要求； 外形结构：双槽标准p x i3 u 模块卡，即1 3 4 1 6 0 6 0 m m ： 总线接口：p x i 总线接口，实现p x i 触发总线功能。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 系统整体框架方案论证 p x ! 零槽控制器模块是测试系统的控制核心，提供测试软件运行所需要的硬件 及系统平台，控制各模块的工作状态，分析处理相关的测试数据，在测试系统中 起着举足轻重的作用。因此，正确合理的设计对系统的性能表现有重要影响。 p x i 总线嵌入式控制器模块是一台高性能的计算机，其设计总体上可分为两大 部分：硬件设计和软件设计。p x ! 零槽控制器在硬件上全部独立设计和制造是可能 的，可是相对的产品研发周期必定非常长，产品性能和可靠性也都难以保证。由 于计算机相关硬件升级换代非常快，作为非计算机专业的设计机构，难以适应计 算机升级换代的速度。为此，本设计结合现代计算机产业发展的成果技术，以e f x 嵌入式计算机模块为核心设计硬件系统，既有利于缩短研发周期，保证产品的整 体性能和可靠性，实现设计指标，满足使用要求，也能及时迅速的升级更新相应 的嵌入式计算机模块。 本设计产品的使用有以下几个特点：1 ) 产品工作温度范围较宽，要求在极低 的温度下能正常使用，所以选择电子硬盘为存储设备，而电子硬盘的容量一般都 比较小，这就限定了操作系统不可能使用常用的p c 操作系统；2 ) 产品使用环境 较为恶劣，操作人员的文化素质较为低下，难免会有许多误操作，造成文件丢失， 甚至系统崩溃等后果。以上特点就决定了该系统的操作系统必须是带自我文件保 护的嵌入式操作系统。 2 2 1 系统硬件方案 f 以太网接口i # = = 爿接口转换电路悔爿 月 卜 存储器 y， i 显示器接口p = 刮 接口转换电路陪爿 嵌 入r 触发模块j i ?辎 i 鼠标键盘接口 # 刊接口转换电路睁爿 式 噗 并口接口i # = 刊接口转换电路p = 穹 计 苍 算 串口接口 # 刮接口转换电路：昌， 机 ， r d r t 坻垃茧牛1 ? l r 、，1 1 ，r 佼。门 ! 图2 - 1 系统硬件方案图 6 一l 第二章系统总体万寨设汁 零槽控制撂的设汁方案如图2l 所示，主要包括盯x 嵌入j 计尊机模块，c 1 一p ( i 桥接f 乜蹄触发模块，存储模块和以太网、显不接口、并毕u 、鼠杯键盘口、 【s r 接i 】等模块。由于零槽摔制器的存储温度范围是4 0 8 05 c ，所以存储模块选 择电予硬盘。e t x 嵌 式训算机模块是系统的核心，完成系统的人部分任务。触发 模块是用c p d 实现p x i 总线的触发总线功能。 按照设计要求，本设计中的p x i 零槽控制器采用的是3 u 般槽的设计方式，其 尺、j 为1 3 4 x 1 6 0 x 4 0 m m 。由于系统的运彳亍频率很高，c p u 等芯片的功耗比较高， 芯片温度自然会很高，系统的设计布局需要考虑到散热问题。应该说，在如此小 的空叫内实现p x i 零槽控制器的功能并保证产品性能，需要合理的科学的结构设 计。为了保证系统的可靠性，经过对比多种方案，率设计在整体结构设计上采用 多层叠加的方式，保证了系统升级换代的便捷性及布局的合理。整个模块分成三 个部分：p x l 0 1 母板、e t x 模块一盒属散热片、p x l 0 2 子板，其中e t x 模块及 金属散热板同定在母板的侧，r 乜了硬盘固定在子板上，月子板固定在母板的另 侧。其叠加方式如图2 - 2 所示： ! 型! 收 电子硬盘 222 操作系统定制方案 p x i 母版 e t x 嵌入式计算机 敞热板 图2 0 硬件结树幽 嵌入式系统是一个有宽广定义的名词，简单地说，手持式轻便设备、智能璎移 动设备、以及某些大型产品中附属的智能部分，都可以理解为嵌入式系统。嵌入 式系统通常是一个包台微处理器的特殊计算机系统，是一个较大系统或设备的组 成部分，它在很大程度上决定了设备的功用特性。它不能像桌面计算机设计那样 让蹬计外发人员自由芨挥，任意设计，嵌入式系统的设计必须重视可使用空间、 功耗、操作便捷性等一系列问题。 电子科技大学硕士学位论文 嵌入式操作系统则是支持嵌入式系统正常使用的系统软件，是嵌入式系统的主 要组成部分，在嵌入式系统运行中发挥着重要的作用。就像p c 电脑，再好的机器， 如果没有操作系统，电脑就无法使用。嵌入式操作系统通常包括系统内核、底层 驱动软件、设备驱动接口、图形界面等。嵌入式操作系统同通用操作系统一样能 够有效管理复杂的系统资源，提供方便的人机交互界面，模块化设计管理等。嵌 入式操作系统也同样可以虚拟化硬件，不需要频繁的移植驱动程序，能够提供标 准设备驱动程序、库函数及工具集等。而且在系统实时高效性、硬件的相关依赖 性、软件固态化以及应用的专用性等方面，嵌入式操作系统比通用操作系统具有 更为突出的优势。 p x i 零槽控制器模块主要是对人机界面操作进行响应、处理数据、显示结果等 操作，功能相对繁琐，运算量较大，且由于存储设备是电子硬盘，容量较小，因 此，操作系统选择采用m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sx pe m b e d d e d 。w i n d o w sx p e m b e d d e d 是一种基于w i n 3 2 编程模型、可以组件化的形式提供w m d o w s 操作系 统功能的嵌入式操作系统。通过将w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 组件化，w i n d o w sx p e m b e d d e d 使得开发人员能够利用w i n d o w s 平台提供最新的w i n d o w s 技术，同时 能够减少内存占用。嵌入式开发人员能够充分利用w i n d o w sx p 中的所有特性，可 以采用常见的开发工具进行软件开发，如v i s u a ls t u d i o ，可以直接使用商品化p c 硬件，与桌面应用程序无缝集成。另外该操作系统还可以防止核心系统文件在应 用程序的安装时被改写。当文件被改写时，x p e 文件保护功能可以恢复到正确的 版本状态，避免系统运行过程中由于误操作或文件损坏而导致系统崩溃。 第三章零槽控制器硬件电路设计 第三章零槽控制器硬件电路设计 本设计采用e t x 嵌入式计算机作为整体设计的核心模块，使得p x i 零槽控制 器体积小，功能强，维护简单，易于升级。整个电路主要由p c i p x i 总线接口模 块、触发总线模块和外围接口电路三大部分组成。硬件设计的重点是p c i p x i 连 接电路及其布线的设计。能实现触发总线功能，触发外围模块工作。外围接口电 路是对e t x 模块提供的各种外围接口信号进行必要的信号变换和扩充，以满足接 口兼容性的要求，主要使用了一些专用芯片和外围电路加以实现。 3 1e t x 嵌入式计算机模块 e t x 巧1 ( e m b e d d e dt e c h n o l o g ye x t e n d e d ) 是一种嵌入式工业主板标准，是针 对各类专业应用的嵌入式p c 而提出的，主要面向专业计算机系统板的设计者，它 的核心理念是“把p c 像芯片一样设计到客户的目标应用系统中。基于e t x 设计， 可根据实际需要自定义主板的形状、尺寸、接插件位置和类型等，并能直接集成 扩展的i o 功能，从而增加了主板的集成度，同时也缩短了开发周期并简化了整个 生产过程。 e t x 嵌入式计算机具有高性能、低功耗、结构灵活、尺寸小巧、扩展容易、完 全p c 兼容、易于升级等特点，在长宽高分别为1 1 4 m m x9 5 m i n x1 6 r m 的尺寸上集成 了标准p c 所有的功能，同时提供标准p c 架构所具有的所有接口和标准的连接 器。e t x 标准规定了采用该规范的模块的标准外观结构、标准连接器的分布以及 连接器对应引脚的信号描述。e t x 模块包含了高性能x 8 6 系列的c p u 芯片组、南 北桥、显示芯片、网络芯片、音频控制器、s u p e ri o 控制器等。背面的4 x 1 0 0 p i n 总线引脚定义了p c 的标准接口信号以及p c i 和i s a 等信号组。设计应用时在母板 上设计对应的4 x 1 0 0 p i n 标准插座，扩展的i o 功能可通过总线上的p c i 或i s a 实 现。其安装方式充分考虑了抗震动的恶劣环境的应用要求，是种适合工控行业 需求的工业主板。e t x 嵌入式计算机通过四个1 0 0 p i n 的高密度连接器来实现计算 机板与扩展板之间的连接，如图3 1 所示。每个连接器对应的信号分配为： e t x 连接器x 1 g p c i 总线、u s b 、音频控制信号 e t x 连接器x 2 i s a 总线 9 电子科技大学硕士学位论文 e t x 连接器x 3 ：v g a 、l c d ( l v d s ) 、c o m l 、c o m 2 、k d a 、键盘鼠标 e t x 连接器x 4 ：e i d e 2 、以太网、特性信号 x 4 ： e i d e l e i d e 2 e 1 h e r n e t h ji 口参 ，；。 弋、； 厂i。? x 3 ： v g a l c d c o m l c o m 2 i r d a p s 2 x 2 ： i s ab u s x 1 ： 、p c ib u s 7 u s b a u d i o 图3 - 1 e t x 嵌入式计算机结构图 以e t x 嵌入式计算机为核心模块，设计者不需要考虑复杂的c p u 等部分电路 设计，而只需专注于自己所需的功能模块的开发、生产。使用中完全可以把e t x 嵌入式计算机模块看作是一个集成了c p u 、p c i 总线、i s a 总线以及标准p ci o 功能的特殊芯片来使用，设计者可以“把p c 像芯片一样设计到客户的目标应用系 统中。由于e t x 嵌入式计算机模块具有强大的功能和较小的体积，非常适合p x i 零槽控制器设计的需要。e t x 嵌入式计算机模块所提供的各种接口信号并不都能 直接使用，需要对其中一些信号进行变换等设计，以便达到接口兼容性的要求， 这些具体工作将在下文中详细介绍。 3 2p xi 总线接口设计 由于p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，将c o m p a e t p c i 规范定义的p c i 总线技术发 展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。因此，p x i 总线接i ；3 的设计主要着重于c o m p a c t p c i 总线接口的设计。 3 2 1p xi 总线规范 自1 9 8 6 年m 公司推出虚拟仪器( v m u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念以来， 1 0 第三章零槽控制器硬件电路设计 v i 这种计算机操作的模块化仪器系统在世界范围内都得到了广泛应用。v i 系统用 灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物 质资源，特别是应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析，使计算 机的软硬件资源代替仪器中的某些硬件、甚至整件仪器来完成它们的功能。在 g p i b 、p c d a q 和v x i 三种v i 体系结构中，g p i b 实质上是通过计算机对传统仪 器功能的扩展与延伸，无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时 带宽不足；p c d a q 直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线 性能；v x i 是基于v e m 总线的，而现代计算机是不支持这种总线的，无法利用 p c 技术的优势，且其4 0 m b s 的速度也无法满足需求，且第一次构建v x i 系统需 要较大的投资强度。由此催生了p x i 总线的发展。 1 9 9 7 年9 月1 日，n i 发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范- p x i 6 1 。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，是一种专为工业 数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，它充分利用了当前最普及的 台式计算机高速标准结构- p c i ，将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成 适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新 的虚拟仪器体系结构。制订p x i 规范的目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与 p c i 总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试 平台。 p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范 和要求形成的。它通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确 定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测 量用户的要求。p x i 量测平台的组成包含三个部分：机箱与控制器、p x i 仪器模块、 软件，它的规范体系结构如图3 - 2 所示。p x i 规范在c o m p a c t p c i 机械规范中增加 了环境测试和主动冷却要求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性，机 械规范体系结构如图3 3 所示。p x i 将w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 定义为其标准 软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按v i s a 规范编写的w i n 3 2 设备驱 动程序，使p x i 成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步 降低最终用户的开发费用。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 2p x i 规范体系结构图 图3 - 3p x i 机械规范体系结构图 ( 1 ) p x i 机械规范及其特性。p x i 所定义的机械规范使用了由c o m p a e t p c i 规范 引入的e u r o c a r d 坚固封装形式和高性能的i e c 连接器，使得p x i 测试系统更适于 在工业环境下使用，也更易于进行系统集成。 与c o m p a c t p c i 共享的p x i 机械特性。p x i 提供了两条与c o m p a e t p c i 规范 兼容的方法：高性能i e c 连接器和e u r o c a r d 机械封装与模块尺寸。高性能i e c 连 接器：p x 应用了与c o m p a e t p c i 相同的、一直被用在象远距离通讯等高性能领域 的高级针座连接器系统。这种由i e c 1 0 7 6 标准定义的高密度( 2 r a m 间距) 阻抗 匹配连接器可以在各种条件下提供尽可能好的电气性能。e u r o c a r d 机械封装与模块 尺寸：p x i 和c o m p a c t p c i 的结构形状完全采用了a n s l 3 1 0 c 、i e c 2 9 7 和i e e e 1 1 0 1 1 等在工业环境下具有很长应用历史的e u r o c a r d 规范。这些规范支持小尺寸 1 2 第三章零槽控制器硬件电路设计 ( 3 u = l o o m m 1 6 0 r a m ) 和大尺寸( 6 u = 2 3 3 3 5 m m 1 6 0 m m ) 两种结构尺寸。 i e e e l l 0 1 1 0 和i e e e l l 0 1 1 1 等最新的e u r o c a r d 规范中所增加的电磁兼容性( e m c ) 、 用户可定义的关键机械要素、以及其它有关封装的条款均被移植到p x i 规范中。 这些电子封装标准所定义的坚固而紧凑的系统特性使p x i 产品可以安装在堆叠式 标准机柜上，并保证在恶劣工业环境中应用时的可靠性。p x i 规定系统槽( 相当于 v x i 的零槽) 位于总线的最左端，而c o m p a c t p c i 系统槽则可位于背板总线的任何 地方。p x i 规范定义唯一确定的系统槽位置是为了简化系统集成，并增加来自不同 厂商的机箱与主控机之间的互操作性。p x i 还规定主控机只能向左侧扩展其自身的 扩展槽，不能向右侧扩展而占用仪器模块插槽。 新增加的电气封装规范。除了将c o m p a c t p c i 规范中的所有机械规范直接移 植进p x i 规范之外，为了简化系统集成，p x i 还增加了一些c o m p a c t p c i 所没有的 要求。如前所述，p x i 机箱中的系统槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展 以避免占用仪器模块插槽。p x i 还规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块 底部向项部流动。p x i 规范建议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动 和冲击试验，并以书面形式提供试验结果。同时，p x i 规范还规定了所有模块的工 作和存储温度范围。 与c o m p a c t p c i 的互操作性。p x i 的重要特性之一是维护了与标准 c o m p a e t p c i 产品的互操作性。但许多p x i 兼容系统所需要的组件也许并不需要完 整的p x i 总线特征。例如，用户或许要在p x i 机箱中使用一个标准c o m p a c t p c i 网络接口模块，或者要在标准c o m p a c t p c i 机箱中使用p x i 兼容模块。在这些情况 下，用户所需要的是模块的基本功能而不是完整的p x i 特性。 ( 2 ) p x i 规范的电气性能。许多仪器应用场合需要p c i 总线或c o m p a c t p c i 背板 总线所没有的系统定时能力，p x i 总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、 星形触发线和模块间的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求。p x i 不仅在保持p c i 总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式p c i 计算机多提供三个仪器插槽，使单个p x i 总线机箱的仪器模块插槽总数达到7 个。 其具体结构如图3 4 所示。 参考时钟。p x i 规范定义了将i o m h z 参考时钟分布到系统中所有模块的方 法。该参考时钟可被用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号。由于p x i 严格 定义了背板总线上的参考时钟，而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总 线信号的时钟边缘更适于满足复杂的触发协议。 触发总线。p x i 定义了8 根t t l 触发线。使用触发总线的方式可以是多种 1 3 电子科技大学硕士学位论文 多样的。例如，通过触发线可以同步几个不同p x i 模块上的同一种操作，或者通 过一个p x i 模块可以控制同一系统中其它模块上一系列动作的时间顺序。为了准 确地响应正在被监控的外部异步事件，可以将触发从一个模块传给另一个模块。 一个特定应用所需要传递的触发数量是随事件的数量与复杂程度而变化的。 星形触发。星形触发总线是在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽与其它六个仪器 槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的。在星形触发专用槽中插入一块星 形触发控制模块，就可以给其它仪器模块提供非常精确的触发信号。当然，如果 系统不需要这种超高精度的触发，也可以在该槽中安装别的仪器模块。应当提出， 当需要向触发控制器报告其它槽的状态或报告其它槽对触发控制信号的响应情况 时，就得使用星形触发方式。p x i 系统的星形触发体系具有两个独特的优点：一是 保证系统中的每个模块有一根唯一确定的触发线，这在较大的系统中，可以消除 在一根触发线上组合多个模块功能这样的要求，或者人为地限制触发时间。二是 每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能，保证了系统中每个模块间 非常精确的触发关系。 圈1 0 m h z s t a r t t r i g g e r 一一一+ 一i 图3 - 4p x i 总线规范示意图 局部总线。p x i 局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。 该局部总线具有1 3 线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号，也可以进行 高速边带通讯而不影响p c i 总线的带宽。局部总线信号的分布范围包括从高速t t l 信号到高达4 2 v 的模拟信号。 1 4 第三章零槽控制器硬件电路设计 p c i 性能。除了p x i 系统具有八个槽( 一个系统槽和七个仪器模块槽) ，而 绝大多数台式p c i 系统仅有三个或四个p c i 扩展槽这点差别之外，p x i 总线与台 式p c i 规范具有完全相同的p c i 性能。而且，利用p c i p c i 桥技术扩展多台p x i 系统，可以使扩展槽的数量理论上最多能扩展到2 5 6 个。其它的p c i 性能还包括： 3 3 m h z 性能、3 2 - b i t 和6 4 - b i t 数据宽度、1 3 2 m b s ( 3 2 - b i 0 和2 6 4 m b s ( 6 4 - b i t ) 的峰值 数据吞吐率、通过p c i p c i 桥技术进行系统扩展、即插即用功能。 ( 3 ) 软件性能。像其它的总线标准体系一样，p x i 定义了保证多厂商产品互操作 性的仪器级( 即硬件) 接口标准。与其它规范所不同的是p x i 在电气要求的基础 上还增加了相应的软件要求，以进一步简化系统集成。这些软件要求就形成了p x i 的系统级( 即软件) 接口标准。p x i 的软件要求包括支持m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和9 5 ( w i n 3 2 ) 这样的标准操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息 ( c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n ) 和支持标准的工业开发环境( 如n i 的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 和m i c r o s o f t 的v c c + + 、v b 和b o d a n d 的c + + 等) 、而且符合 v i s a 规范的设备驱动程序( w i n 3 2d e v i c ed r i v e r s ) 。对其它没有软件标准的工业 总线硬件厂商来说，他们通常不向用户提供其设备驱动程序，用户通常只能得到 一本描述如何编写硬件驱动程序的手册。用户自己编写这样的驱动程序，其工程 代价( 包括